Evoluutioteorian tieteelliset ongelmat: Monitulkintaiset todisteet

Evoluutioteoriaa tukevan todistusaineiston tulkinnassa on noussut esiin useita kiistanalaisia kohtia. Perinteinen darvinistinen näkemys – että kaikki elollinen polveutuu yhdestä yhteisestä kantamuodosta pitkän, asteittaisen muutoksen myötä – on saanut haastajia, jotka tulkitsevat samoja todisteita toisin. Tässä artikkelissa tarkastellaan neljää keskeistä osa-aluetta: (1) fylogeneettisen elämänpuun ongelmakohtia geneettisten analyysien valossa, (2) fossiiliaineiston äkillisiä ilmestymisiä ja puuttuvia välimuotoja, (3) mutaatioiden rajoitteita uuden geneettisen informaation luomisessa kokeellisen evoluution perusteella sekä (4) abiogeneesin eli elämän alkusynnyn selittämisen haasteita.

Tarkoituksena on tarkastella kriittisesti darvinistista evoluutiomallia ja pohtia älykkään suunnittelun näkökulmaa mahdollisena vaihtoehtoisena selityksenä elämän synnylle ja kehitykselle. Darvinistisen evoluution kannattajilla on omat selitysmallinsa fossiiliaineiston ja geneettisten havaintojen haasteisiin, mutta koska ne ovat jo laajasti esillä tieteellisessä kirjallisuudessa ja populaarimediassa, en keskity niihin tässä yhteydessä. Sen sijaan tarkastelen, miksi monet ongelmat pysyvät edelleen ratkaisemattomina ja mitä tämä voi merkitä biologisen kehityksen mekanismien kannalta.

Jotta en loisi olkinukkea enkä antaisi vääristynyttä kuvaa tieteellisestä keskustelusta, käsittelen tulevissa artikkeleissani myös evoluutiotutkijoiden yrityksiä ratkaista evoluution ongelmia. Tavoitteeni on tarjota rehellinen ja perusteellinen analyysi – ei retorisia oikoteitä eikä yksipuolisia näkökulmia. Olen valitettavan usein törmännyt siihen, että eri osapuolet esittävät toistensa näkemyksiä vääristyneessä muodossa vain tehdäkseen ne helpommin kumottaviksi. Tämä ei edistä kunnollista rehellistä keskustelua, vaan vesittää sen. Sen sijaan keskustelun tulisi perustua mahdollisimman tarkasti siihen, mitä eri näkökulmien edustajat todella sanovat ja millaisia todisteita he esittävät. Faktat pöytään – ja sitten keskustellaan.

Minun on myös tunnustettava, että en ole koulutettu biologi tai tiedemies, joten tämä asettaa rajoituksensa sille, kuinka syvällisesti voin ymmärtää asiaan liittyviä teknisiä yksityiskohtia. Tarkastelen kuitenkin aihetta huolellisesti olemassa olevan tieteellisen kirjallisuuden ja asiantuntijoiden analyysien pohjalta. Lähestyn asiaa ennen kaikkea ison kuvan ja logiikan näkökulmasta – kuten maallikot joutuu yleensä tekemään. Tavoitteenani ei ole antaa lopullisia vastauksia, vaan esittää perusteltuja kysymyksiä ja analyysiä siitä, miten eri näkökulmat vastaavat biologian suurimpiin kysymyksiin.

1. Fylogeneettinen elämän puu ja geneettisten analyysien ristiriidat

Darwinin ajoista lähtien eliökunnan sukulaisuussuhteita on kuvattu elämän puuna, jossa kaikki lajit haarautuvat yhteisestä rungosta. Molekyyligenetiikan aikakaudella on kuitenkin käynyt ilmi, että todellinen kuva voi olla paljon monimutkaisempi. Genomitasolla eri geenit voivat antaa ristiriitaisia sukupuita: sama eliöryhmä saattaa asettua sukupuussa eri paikkoihin riippuen siitä, minkä geenin perusteella analyysi tehdään. Tuore katsaus toteaa suoraan, että ”keskenään ristiriitaisten evoluutiohistorioiden päätelmä on laajalle levinnyttä fylogenomisessa datassa”​. Toisin sanoen, koko genomin laajuisten analyysien aikakaudellakin geneettiset sukupuut eivät aina ole yksimielisiä, vaan konflikteja löytyy.

Kuva 1: Fylogeneettinen puu FOXP1- ja FOXP2-geenien homologeista eri eläinlajeissa. Kuva perustuu Ensembl-tietokantaan ja esittää eri lajien geneettisiä sukulaisuussuhteita näiden geenien osalta. Tämä visualisointi havainnollistaa geneettisen samankaltaisuuden ja erojen jakautumista eri eliöryhmien välillä.

Fylogeneettiset ristiriidat johtuvat osin biologisista ilmiöistä. Esimerkiksi horisontaalinen geeninsiirto (HGT/LGT) eli geenien siirtyminen lajilta toiselle muutoin kuin suvullisen lisääntymisen kautta on erityisesti mikrobiologian alalla hämärtänyt yksiselitteisen puumallin käyttökelpoisuutta. ”Lateral gene transfer (LGT) ... on perusluonteisesti ei-puumainen prosessi” ja sen vuoksi on syytä luopua ennakko-oletuksesta, että kaikki genomit olisivat sukua yhden haarautuvan puun kautta​. Eräässä alan julkaisussa huomautetaan, että tutkijoiden”täytyy irrottautua käsityksestä, että kaikki genomit olisivat yhden yhtenäisen puun haarautumia”​.

Tämän seurauksena moni evoluutiobiologi on alkanut puhua ”elämän verkosta” tai pensaasta. Erityisesti mikrobeilla horisontaalinen geenisiirto, lajienvälinen risteytyminen ja muut geneettiset vuorovaikutukset synnyttävät retikulaarisen (verkkomaisen) evoluutiokuvion. Näin ollen yksi yhteinen elämän puu ei ehkä riitä kuvaamaan historian kulkua. Kuten Dagan ja Martin jo 2006 ehdottivat, elämän alkutaipaleen kuvaamiseksi tarvitaan muuta kuin yksi puu: ”mikrobien evoluution prosessi ... olisi pohjimmiltaan mahdoton kuvata yhtenä ainoana haarautuvana puuna, koska merkittävä osa evoluutioprosessista – LGT – ei alun alkaenkaan ole puumainen”​.

Kuva 2: Fylogeneettisen ”elämän puun” verkkomaisuus. Siniset viivat kuvaavat perinteistä vertikaalista evoluutiota (suvullista polveutumista) kolmen elämän domeenin (bakteerit, arkeonit, eukaryotit) välillä. Nuolilla merkityt poikittaiset yhteydet edustavat horisontaalista geeninsiirtoa, esimerkiksi mitokondrioiden ja viherhiukkasten (plastidien) alkuperää soluendosymbioosin kautta. Tällaiset verkkomaiset yhteydet rikkovat puumaisen sukupuun yksinkertaisuuden​.(Kuva: Barth F. Smets / Wikimedia Commons)

Geneettisten sukupuiden ristiriidat eivät siis välttämättä kumoa evoluutiota sinänsä, mutta ne osoittavat, että evoluutioprosessi on monimutkaisempi kuin perinteinen darvinistinen puumalli antaa ymmärtää. Eri geenien väliset konflikit (fylogeneettinen inkongruenssi) viittaavat siihen, että sukupuu on pikemminkin “sukupensas” tai verkosto. Eräs tutkija tiivisti tilanteen seuraavasti: ”Olemme juuri hävittäneet elämänpuun. Se ei ole enää puu, vaan täysin erilainen topologia”​.

Geenitiedon ja morfologian väliset ristiriidat

Perinteisesti eliöiden sukulaisuussuhteita on päätelty niiden morfologian eli ulkoisten rakenteiden ja ominaisuuksien perusteella. Nykyajan geeniteknologian kehittyessä on kuitenkin havaittu, että geneettiset analyysit eivät aina tue morfologisiin piirteisiin perustuvia sukupuita. Toisinaan lajit, jotka näyttävät hyvin samankaltaisilta ulkoisesti, voivat geneettisesti olla kaukaisempaa sukua toisilleen kuin aikaisemmin oletettiin. Vastaavasti morfologisesti erilaiset eliöt saattavat jakaa yllättävän samankaltaisen geneettisen perimän.

Tällaiset havaintojen ristiriitaisuudet haastavat perinteisen puumaisen sukupuun mallin ja viittaavat siihen, että eliölajien historia on monimutkaisempi kuin usein esitetään. Se myös avaa keskustelua siitä, missä määrin geneettinen ja morfologinen tieto tulee huomioida evoluutiota mallinnettaessa ja voidaanko biologista monimuotoisuutta selittää kokonaisuudessaan pelkästään fylogeneettisten analyysien perusteella.

Tämä avaa mahdollisuuden tarkastella myös vaihtoehtoisia selitysmalleja: jos biologinen monimuotoisuus ei selity yhdellä haarautuvalla sukupuulla, onko kaikilla eliöillä varmasti yksi yhteinen esivanhempi, vai viittaavatko geneettiset mosaiikkikuviot esimerkiksi erillisiin alkuperiin tai suunniteltuihin elementteihin? Nämä kysymykset ovat herättäneet kiinnostusta älykkään suunnittelun kannattajien parissa, vaikkei valtavirran tiede suoraan tätä johtopäätöstä teekään.

Fylogeneettiset kuviot eivät yksinään selitä alkuperää – tulkinta riippuu lähtöoletuksista

On tärkeää ymmärtää, että eliölajien geneettisiin ja morfologisiin samankaltaisuuksiin perustuva suhdekuvio – olipa se muodoltaan puu, verkosto tai näiden yhdistelmä – ei itsessään selitä, mistä eliölajit ovat peräisin. Se on kuvaus rakenteellisista suhteista, ei selitys niiden synnystä.

Fylogeneettinen puu havainnollistaa, miten eliölajit voidaan järjestää ominaisuuksiensa perusteella hierarkkiseksi kokonaisuudeksi. Tämä hierarkia voi sopia yhteen yhteisestä kantamuodosta polveutumisen kanssa – mutta yhtä hyvin myös yhteisen suunnittelijan käyttöön ottaman uudelleenkäytön tai modulaarisen arkkitehtuurin kanssa. Samalla tavalla kuin eri koneet voivat sisältää samanlaisen moottorin tai käyttöliittymän, eri eliölajit voivat sisältää samanlaisia geenejä tai rakenteita, jos suunnittelija on valinnut käyttää hyväksi havaittuja ratkaisuja useaan tarkoitukseen.

Evoluutioteorian mukaan samankaltaisuudet johtuvat asteittaisista muutoksista yhteisestä kantamuodosta. Älykkään suunnittelun näkökulmasta samankaltaisuudet voivat johtua toiminnallisesta tarkoituksenmukaisuudesta ja suunnitteluperiaatteista, jotka toistuvat eri eliöissä niiden käyttötarkoituksen mukaan.

Tämä havainnollistaa tärkeää periaatetta: tieteelliset havainnot eivät yksin määrää niiden tulkintaa. Samat biologiset todisteet – kuten DNA-sekvenssien yhtäläisyydet tai rakenteelliset samankaltaisuudet – voivat sopia yhteen useamman eri selitysmallin kanssa. Se, miten todisteet ymmärretään, riippuu pohjalla olevasta maailmankuvasta.

Evoluutioteoria ja älykkään suunnittelun teoria tarjoavat kumpikin kokonaisvaltaisen selitysmallin, mutta niiden perusoletukset maailmasta ovat erilaiset.

On myös syytä pitää mielessä, että fylogeneettinen tutkimus ei ole puhtaasti kokeellista luonnontiedettä sanan perinteisessä mielessä, vaan se kuuluu pikemminkin historiallisen tutkimuksen alueelle. Fylogenetiikka pyrkii rekonstruoimaan menneitä tapahtumia – eliöiden polveutumishistoriaa – nykyisten havaintojen, kuten geneettisten ja morfologisten yhtäläisyyksien, perusteella. Tämä tekee siitä luonteeltaan selvästi päättelyyn perustuvaa tutkimusta, ei suoraa havainnointia tai toistettavaa kokeellista verifiointia.

Kuten kaikki historian tutkimus, myös fylogeneesi nojaa epäsuoriin todisteisiin, joita tulkitaan nykyisten mallien ja oletusten avulla. Mutta koska menneisyyttä ei voi suoraan havainnoida eikä palauttaa kokeellisesti nähtäville, absoluuttinen varmuus siitä, mitä tarkalleen tapahtui, on saavuttamattomissa. Tämän vuoksi monet filosofit ja tiedemiehet luonnehtivatkin fylogeneettisiä rekonstruktioita skenaarioiksi – todennäköisiksi kuvauksiksi siitä, mitä on ehkä tapahtunut, ei varmuudella siitä, mitä todella tapahtui.

Tässä suhteessa kirjallinen historia, silloin kun sen lähteet ovat osoittautuneet luotettaviksi, tarjoaa usein vahvempaa evidenssiä menneistä tapahtumista kuin fyysisiin jälkiin perustuva päättely. Kirjallisessa historiassa voidaan hyödyntää suoria aikalaistodistuksia, nimettyjä lähteitä ja tapahtumien dokumentointeja. Fylogeneettinen analyysi sen sijaan perustuu mallinnukseen ja oletuksiin mm. mutaatioiden nopeudesta, konvergenssin mahdollisuudesta tai rekombinaation vaikutuksista – muuttujista, joita ei voida täysin kontrolloida.

Tämä ei tarkoita, että fylogeneettinen tutkimus olisi arvotonta tai että siihen ei voitaisi luottaa lainkaan. Mutta se tarkoittaa, että sen tulokset ovat luonteeltaan todennäköisiä tulkintoja, eivät absoluuttisia faktoja. Tämän ymmärtäminen auttaa asettamaan fylogeneettiset päätelmät oikeaan perspektiiviin osana laajempaa tieteellistä ja filosofista keskustelua elämän alkuperästä ja historiasta.

2. Fossiililöydöt: äkilliset ilmestymiset ja puuttuvat välimuodot

Fossiiliaineisto on evoluutioteorian peruspilareita, mutta senkin tulkinnassa on kiistanalaisia piirteitä. Erityisesti kaksi havaintoa nousevat esiin: uusien eliöryhmien äkillinen ilmestyminen geologisessa aikataulussa sekä välimuotojen niukkuus monien suurten eläinryhmien välillä. Charles Darwin itse tunnusti aikanaan esimerkiksi kambrikauden räjähdyksen – noin 540 miljoonaa vuotta sitten tapahtuneen monisoluisten eläinten monimuotoisuuden äkillisen lisääntymisen – vaikeaksi ongelmaksi teoriassaan. Nykyisin käytettävissä oleva fossiilikanta on valtavasti laajempi kuin Darwinin aikana, mutta ongelma on pysynyt. Paleontologi Stephen J. Gould totesi kuuluisasti: ”Välimuotoisten fossiilien äärimmäinen harvinaisuus fossiiliaineistossa on edelleen paleontologian 'liikesalaisuus'”​. Hän huomautti, että oppikirjojen sukupuut yleensä nojaavat haarojen kärkiin ja nivelkohtiin; haarojen väliset oletetut asteittaiset siirtymävaiheet eivät juurikaan esiinny fossiilistossa. Vaikka Gould itse ei kiistänyt evoluutiota, hänen huomionsa fossiiliaineiston aukollisuudesta on synnyttänyt keskustelua siitä, kuinka hyvin perinteinen gradualistinen evoluutiomalli kuvaa todellisuutta.

Äkilliset ilmestymiset – esimerkkinä kambrikauden räjähdys

Kambrikauden räjähdys on ehkä tunnetuin esimerkki elämän historian äkillisistä murroskohdista. Fossiiliaineiston mukaan monien nykyisten eläinten pääjaksojen (fylum) varhaisimmat tunnetut edustajat – kuten niveljalkaisten, piikkinahkaisten ja nivelmatojen kaltaiset eläimet – ilmaantuivat geologisesti lyhyessä ajassa noin 530–520 miljoonaa vuotta sitten. Tutkimukset ovat vahvistaneet, että tämä monimuotoisuuden kasvu ei johdu pelkästään fossiiliaineiston puutteista vaan on todellinen biologinen ilmiö. Derek E. G. Briggsin (2015) mukaan ”nyt tiedämme, että fossiilien äkillinen ilmestyminen kambrikaudella on todellista eikä epätäydellisen fossiiliaineiston harhaa… useat suuret eläinkunnan ryhmät saivat alkunsa suhteellisen lyhyessä ajassa kambrikauden räjähdyksen aikana.” Tämä viittaa siihen, että kambrikaudella ilmaantui merkittävästi uusia rakenteellisia innovaatioita poikkeuksellisen nopeasti.

Kuva 3: Taiteilijan näkemys kambrikauden merestä. Kambrikauden alkupuolella (noin 540–520 miljoonaa vuotta sitten) ilmestyivät fossiilirekisteriin useat uudet eläinryhmät yhtäkkisesti. Kuvassa etualalla näkyy Anomalocaris, noin metrin pituinen varhainen peto, sekä monia muita tuon ajan eläimiä (sienieläimiä, trilobiitteja, matomaisia eliöitä). Kambrikauden “räjähdys” tarkoittaa, että hyvin lyhyessä geologisessa ajassa ilmeni valtava kirjo uusia ruumiinrakenteita ilman selkeitä esi-isiään syvemmissä kerrostumissa​.(Kuva: Smithsonian Institution)

Kambrikauden räjähdyksestä käytetään joskus termiä ”Darwinin dilemma”, viitaten siihen haasteeseen, jonka tämä ilmiö tuotti asteittaisen evoluution idealle. Darwin oletti, että varhaisemmat kantamuodot olivat olemassa mutta ne puuttuivat fossiiliaineistosta. Nykyään tunnetaan joitakin esikambrikauden pehmeäkudoksisia eliöitä (ediakaran fauna), mutta niiden yhteys kambrikauden eläimiin on yhä osin epäselvä. Paleontologien konsensus on, että kambrikauden räjähdys on todellinen biologinen tapahtuma – ehkä nopea lajiutumis- ja innovaatiojakso – vaikkakin sen syitä edelleen tutkitaan (ehdotettu mm. ympäristötekijöitä, kuten hapen määrän nousua, geenisäätelyverkon kehittymistä tai ekologisen kilpavarustelun käynnistymistä)​. On huomionarvoista, että erään tuoreen katsauksen sanoin”Darwinin kuilu on yhä olemassa – kambrikauden fossiilien äkillinen ilmestyminen on todellisuutta, ja yhä pohdimme, mitkä voimat ja mekanismit sen aiheuttivat”​.

Saksalainen paleontologi Günter Bechly toi esiin, että kambrikauden räjähdys on vain yksi monista elämän historian aikana tapahtuneista äkillisistä monimuotoisuuden lisääntymisistä. Hän on tunnistanut ainakin 19 tällaista "räjähdystä", jotka haastavat darvinistisen gradualismin käsityksen evoluutiosta. Näihin tapahtumiin kuuluvat muun muassa elämän alkuperä, fotosynteesin kehittyminen, Ediakara-eläinten ilmaantuminen, ordovikauden biodiversiteetin kasvu, dinosaurusten ja nisäkkäiden ilmaantuminen sekä kukkivien kasvien kehittyminen. Bechlyn mukaan nämä äkilliset ilmestymiset eivät sovi yhteen perinteisen, vähittäisiin muutoksiin perustuvan evoluutiomallin kanssa.

Välimuotojen niukkuus ja evoluution hyppäykset

Toinen fossiiliaineiston piirre on transitiomuotojen vähäisyys monien suurten ryhmien välillä. Evoluutioteorian mukaan pitäisi olla lukuisia asteittaisia välimuotoja esimerkiksi kala- ja sammakkoeläinten välillä tai matelijoiden ja nisäkkäiden välillä. Kuitenkin laajassa mitassa fossiiliaineisto näyttäytyy “porrasmaisena”: uudet lajit ja ryhmät ilmestyvät yleensä äkillisesti, ”yhtäkkiä ja täysin muodostuneina” tiettyyn paikalliseen kerrostumaan, eivätkä ne muutu merkittävästi koko olemassaolonsa aikana ennen kuin usein häviävät​. Gould ja Eldredge kuvasivat tätä ilmiötä punktualismin teoriassaan (punctuated equilibrium): evoluutio tapahtuu pääosin lyhyinä muutosjaksoina, jotka katkaisevat pitkät staasin (muutoksettomuuden) jaksot.

Gould kirjoitti: ”Useimpien lajien historia sisältää kaksi piirettä, jotka ovat erityisen ristiriidassa gradualismin kanssa: staasin (pysyvyys) ja äkillisen ilmestymisen. … Laji ei synny paikallisessa alueella asteittain jatkuvien muutosten kautta, vaan ilmestyy kerralla ja täysin muotoutuneena”​. Myös toiset paleontologit, kuten Niles Eldredge ja David Raup, ovat todenneet, että fossiilistosta puuttuu monilta osin odotettu jatkuvien välimuotojen sarja. Raup arvioi jo 1970-luvulla, että vaikka fossiililajeja tunnetaan satoja tuhansia, selviä esivanhempi-jälkeläinen -sarjoja on vähemmän kuin Darwinin aikana uskottiin:”Noin 120 vuotta Darwinin jälkeen, fossiiliaineiston tuntemus on laajentunut valtavasti. … mutta ironista kyllä meillä on jopa vähemmän esimerkkejä evolutionaarisista siirtymistä kuin Darwinin aikaan”​. Joitakin klassisia esimerkkejä oletetuista muutosketjuista (kuten hevosen evoluution lineaarinen sarja) on jouduttu uudelleenarvioimaan tai hylkäämään tarkempien löytöjen myötä​.

Fossiiliaineiston äkilliset ilmestymiset ja välimuotojen aukot ovat innostaneet vaihtoehtoisia tulkintoja. Älykkään suunnittelun näkökulmasta on esitetty, että nämä piirteet sopisivat paremmin kuvaan, jossa uudet rakenteet ja elämänmuodot ilmaantuvat suunnitellun lisäämisen kautta eikä pelkästään hitaiden sattumamutaatioiden kasautumisesta. Esimerkiksi Stephen C. Meyer on argumentoinut, että kambrikauden räjähdyksen uusien geenien ja kehitysohjelmien äkillinen tarve viittaa informaatiopanokseen, joka voisi selittyä paremmin älykkäällä syyllä kuin pelkällä suotuisalla sattumalla. Tämä näkemys on tiedeyhteisössä kiistanalainen, mutta fossiilidatan antamat kysymykset pitävät keskustelua yllä.

3. Mutaatioiden kyky luoda uutta informaatiota: kokeellisen evoluution opetukset

Darvinistinen evoluutio nojaa sattumanvaraisiin mutaatioihin, jotka tarjoavat raakamateriaalin eliöiden muuntelulle. Luonnonvalinta toimii tässä prosessissa valikoivana mekanismina, joka suosii ympäristöönsä parhaiten sopeutuneita yksilöitä ja karsii huonommin sopeutuneet. Siksi on olennaista kysyä, millaisia muutoksia mutaatiot käytännössä tuottavat ja voivatko ne rakentaa täysin uusia rakenteita ja geneettistä informaatiota ajan mittaan. Viime vuosikymmeninä on tehty kuuluisa pitkäaikaiskoe Escherichia coli -bakteereilla (Richard Lenskin Long-Term Evolution Experiment, LTEE), sekä lukuisia muita mikrobiologisia evoluutiokokeita, jotka antavat empiiristä tietoa mutaatioiden vaikutuksista. Tulokset ovat sekä vahvistaneet evoluution tapahtumista että paljastaneet rajoja sille, mitä mutaatiot ovat saaneet aikaan.

Kokeellinen evoluutio on osoittanut, että populaatiot sopeutuvat uusiin olosuhteisiin varsin nopeasti hyödyllisten mutaatioiden kautta. Yksi yllättävä havainto on kuitenkin, millaiset mutaatiot tyypillisesti ovat hyödyllisiä lyhyellä aikavälillä. Laajassa analyysissä todettiin, että laboratorio-oloissa tapahtuvassa sopeutumisessa menetysmutaatiot (loss-of-function) ovat hyvin yleisiä: ”ympäristöissä on usein tarjolla useita geenin toiminnan menettäviä mutaatioita, jotka tuottavat valintaedun…tällaiset toiminnan menetykset yleensä hallitsevat pitkäaikaisten evoluutiokokeiden mutaatiospektriä”​.

Toisin sanoen, monesti helpoin tapa parantaa organismien selviytymistä mutaation kautta on rikkoa tai vaimentaa jokin olemassa oleva toiminto, joka olosuhteissa on turha tai haitallinen, säästäen näin resursseja. Esimerkiksi Lenskin bakteerikannoissa havaittiin, että bakteerit menettivät tarpeettomia metaboliareittejä uudessa ympäristössä, mikä itse asiassa antoi niille kasvuedun kyseisissä olosuhteissa​.

Miksi geneettisen informaation rikkominen voi antaa bakteereille oikeissa olosuhteissa kilpailuedun? Kuvitellaan, että sinulla on vakiohenkilöauto, mutta haluat tehdä siitä kilpa-auton. Helppo tapa parantaa suorituskykyä on poistaa tarpeettomia osia, jotka eivät ole välttämättömiä nopeuden kannalta:

• Poistat istuimet → vähemmän painoa, nopeampi kiihtyvyys.

• Poistat ilmastoinnin ja radion → säästät energiaa ja moottori voi keskittyä vain ajamiseen.

• Poistat jopa turvalaitteita, kuten turvavyöt ja airbagit → tämä tekee autosta kevyemmän, mutta voi aiheuttaa ongelmia toisessa ympäristössä (esim. törmäystilanteessa).

Tuloksena on nopeampi auto, mutta samalla myös yksipuolisempi ja haavoittuvampi – se on hyvä kilpa-ajoon, mutta huono perhekäyttöön tai turvallisuutta vaativiin tilanteisiin.

Vastaavasti Lenskin E. coli -populaatiot menettivät tarpeettomia toimintoja, mikä teki niistä tehokkaampia niiden uudessa ympäristössä (glukoosipohjainen ravintoalusta).

Tämä nopeutti niiden kasvua, koska resursseja ei enää tuhlattu turhiin metaboliareitteihin.

Pitkällä aikavälillä tämä tarkoittaa kuitenkin menetettyä joustavuutta – jos ympäristö muuttuisi, ne eivät ehkä enää pärjäisi yhtä hyvin kuin alkuperäiset bakteerit.

Tämä ei tarkoita, ettei uusia toimintoja voisi syntyä – mutta kokeet osoittavat, että uusien monimutkaisten ominaisuuksien kehittyminen mutaatioiden kautta on harvinaista ja vaatii usein useita peräkkäisiä muutoksia. Lenskin kokeessa kuitenkin havaittiin yksi merkittävä ”innovaatio”: eräässä bakteeriviljelmässä kehittyi kyky käyttää sitraattia ravintona hapellisissa olosuhteissa, ominaisuus jota E. colilla esiinny luonnollisissa olosuhteissa. Tämä Cit+ -fenotyypin ilmaantuminen tapahtui ~31 000 sukupolven jälkeen ja vaati ilmeisesti vähintään kaksi peräkkäistä mutaatiotapahtumaa (ensin “valmistelevia” mutaatioita ja lopulta geeniduplikaation ja geenifuusion aikaansaaman muutoksen)​. Kyseessä on hieno esimerkki siitä, että 'uusi' geenisäätelyn yhdistelmä voi syntyä, mutta prosessi kesti kymmeniä tuhansia sukupolvia eikä olisi todennäköisesti ilmennyt lyhyemmässä kokeessa​.

On myös huomionarvoista, että kyseinen uusi toiminto (sitraatin käyttö) syntyi geenin uudelleenjärjestäytymisen kautta: bakteerilla tapahtui koko DNA-jakson kahdentuminen ja erään säätelyalueen fuusioituminen sitraattikuljetusgeenin kanssa, jolloin aiemmin hapesta riippuvainen geeni pääsi ilmentymään myös hapellisissa oloissa​. Tämä esimerkki viittaa siihen, että geenien monistuminen ja yhdistyminen ovat eräs keskeinen mekanismi, joka voi saada aikaan eliössä kilpailuedun.

Kokonaisuutena kokeellinen evoluutio opettaa, että luonnonvalinta ensisijaisesti optimoi olemassa olevaa – usein karsimalla tai säätämällä geenien ilmentymistä – eikä helposti luo täysin uutta monimutkaista biokemiaa 'tyhjästä' lyhyillä aikaväleillä. Biokemisti Michael Behe onkin esittänyt ns. ”adaptiivisen evoluution ensimmäisen säännön”: ”Riko tai heikennä mitä tahansa toiminnallista koodattua elementtiä, jonka menetyksestä on nettohyötyä” viitaten siihen, että nopein tie etuun on usein geneettisen informaation menettäminen ennemmin kuin uuden rakentaminen​.

By BMC bioinformatics - https://www.researchgate.net/figure/The-consequences-of-loss-switch-gain-or-conservation-of-function-mutations-M-The_fig4_283448141, CC BY-SA 4.0,

Behe ja kollegat analysoivat kymmeniä tuhansia sukupolvia kattaneita kokeita ja huomasivat, että valtaosa havaituista hyödyllisistä mutaatioista oli geenien funktioita tuhoavia, eikä uusia rakenteita rakentavia. Toki pitkällä aikavälillä, kun tarpeeksi mutaatioita kasaantuu, voi syntyä myös”gain-of-function”-muutoksia (uuden toiminnon tuottavia), mutta ne vaativat yleensä monivaiheisen polun ja runsaasti aikaa populaation”tutkia” monia yhdistelmiä​. Kyse ei tässäkään tapauksessa ole varsinaisesta täydestä biologisesta uutuudesta, vaan jostain mikä perustuu olemassaolevaan informaatioon. Tämä on kriittinen ero mikroevoluution (pienten säätelymuutosten) ja makroevoluution (uusien monimutkaisten rakenteiden synnyn) välillä.

Tämä herättää kysymyksen: jos luonnonvalinta suosii nopeita hyötyjä antavia mutaatioita, jotka usein ovat informaatiota poistavia, kuinka realistista on erittäin monimutkaisten uusien biologisten rakenteiden (kuten vaikkapa silmän, siiven tai molekyylikoneiston) syntyminen pelkkien satunnaismutaatioiden kautta? Darwinin mekanismi toimii, mutta pääosin 'alaspäin' hienosäätäen ja menettäen toimintoja, kunnes tietyissä tapauksissa voi avautua uusia hyödyntämismahdollisuuksia jäljelle jääneille rakenteille (eksaptaatio).

Älykkään suunnittelun kannattajat huomauttavat, että uuden geneettisen informaation synty on yhä aktiivisen tutkimuksen kohde eikä täysin ratkaistu ongelma. Heidän tulkintansa on, että periaatteessa informaation lisäämiseen saatetaan tarvita ohjaavia tekijöitä tai suunniteltuja mekanismeja, koska pelkkä satunnaishakeminen on tehotonta valtavassa genomiavaruudessa. Tämä näkemys on kiistanalainen, mutta edes kaikki evoluutiobiologit eivät ole täysin varmoja, miten nopeasti peräkkäiset hyödylliset mutaatiot voivat kerääntyä ilman jonkinlaista ohjausta. Kysymys ”voivatko mutaatiot yksin rakentaa täysin uusia tietorakenteita?” on siis edelleen avoin.

4. Abiogeneesi: elämän alkuperä ja kemiallisen evoluution haasteet

Evoluutioteoria tavallisesti käsittelee sitä, miten olemassaolevat eliöt kehittyvät ja monimuotoistuvat. Vielä perustavanlaatuisempi kysymys on kuitenkin elämän alkuperä – miten eloton kemia muuttui ensimmäiseksi soluksi. Darwin ei pystynyt selittämään tätä, ja myönsi että se on mysteeri: ”elämän alkuperään darwinistinen teoria ei valoa luo, se on ehkä perimmäinen puute koko teoriassa” (Haeckelin kritiikistä​). Abiogeneesin tutkimus yrittää selittää, millaisissa olosuhteissa ja millä mekanismeilla alkumaapallon kemialliset yhdisteet järjestäytyivät itsestään lisääntyväksi, aineenvaihduntaa harjoittavaksi systeemiksi – toisin sanoen alkeellisimmaksi eläväksi olennoksi (esisoluksi).

Tämä on osoittautunut valtavaksi tieteelliseksi haasteeksi. Kuten teoreettinen fyysikko Paul Davies on todennut:”Elämän alkuperä on ja pysyy syvänä mysteerinä. Teorioita ei puutu, mutta tutkijoiden mielipiteet jakautuvat enemmän kuin ehkä missään muussa biologian kysymyksessä”​. Jo 1980-luvulla bio-orgaaninen kemisti Klaus Dose kirjoitti turhautuneena:”Yli 30 vuoden kokeilut elämän synnyn parissa kemian ja molekyylievoluution aloilla ovat johtaneet parempaan käsitykseen ongelman valtavuudesta, mutta eivät sen ratkaisuun. Tällä hetkellä kaikki keskeiset teoriat ja kokeilut päättyvät pattitilanteeseen tai tietämättömyyden tunnustamiseen”​.

Kemisti James Tour on useissa yhteyksissä ilmaissut skeptisyytensä elämän alkusynnyn tieteellisiä selityksiä kohtaan. Hän on todennut, että sekä kemistit että biologit ovat ymmällään tämän aiheen edessä. Tourin mukaan on harhaanjohtavaa antaa ymmärtää, että tiede olisi ratkaissut elämän alkuperän mysteerin tai edes lähestymässä ratkaisua; sen sijaan hän korostaa, että aihe on edelleen suuri arvoitus.

Tour on myös haastanut johtavia elämän synnyn tutkijoita esittämään konkreettisia todisteita siitä, että alalla on saavutettu merkittävää edistystä viimeisten vuosikymmenten aikana. Hän on esittänyt viisi keskeistä ongelmaa, joihin kaivataan ratkaisuja:

1. Aminohappojen ketjuuntuminen polypeptideiksi

2. Nukleotidien yhdistyminen RNA-molekyyleiksi

3. Yksinkertaisten sokerien muodostuminen polysakkarideiksi

4. Biologisen informaation alkuperä

5. Solun komponenttien kokoaminen toimivaksi soluksi

   
   

Tourin haasteen määräaika on umpeutunut ilman, että kukaan olisi esittänyt ratkaisuja näihin ongelmiin. Tämä viittaa siihen, että elämän alkuperän tutkimus on edelleen perustavanlaatuisten haasteiden edessä.

Tourin näkemykset heijastavat laajempaa keskustelua tieteellisessä yhteisössä elämän alkuperän selitysten riittävyydestä ja siitä, kuinka paljon on vielä ymmärrettävää tällä alueella.

Kemiallisen evoluution ongelmat

Elämän alku tarvitsee selityksen useille yhtäaikaisille osa-alueille:

• Perinnöllisyys ja informaatio: Jotta Darwinin evoluutio voisi edes alkaa, täytyy olla jokin molekyyli, joka kantaa informaatiota ja pystyy kopioitumaan (alkeellinen genomi). Nykyään DNA/RNA kantaa geneettisen koodin. RNA-maailma -hypoteesi ehdottaa, että ensimmäiset elävät järjestelmät perustuivat RNA:han, jolla on sekä informaation varastoinnin että katalyysin kykyä. Kuitenkin RNA:n spontaani syntyminen alkuliemestä on osoittautunut vaikeaksi osoittaa; tarvitut nukleotidit eivät helposti muodosta pitkiä ketjuja ilman monimutkaisia olosuhteita tai katalyyttejä.

  
  

• Metabolia ja energia: Pelkkä nukleiinihappo ei riitä elämään; tarvitaan myös energianhankintaa ja kemiallisia reaktiosarjoja (metaboliaa), jotta järjestelmä voi ylläpitää itseään. On kiistanalaista kumpi syntyi ensin, geneettinen informaatio vai metabolia (”kana vai muna” -ongelma). Jotkut teoriat ehdottavat itseään ylläpitäviä kemiallisten reaktioiden verkostoja, jotka vasta myöhemmin yhdistyivät geneettiseen koodiin.

  
  

• Kalvo ja soluarkkitehtuuri: Elämä tarvitsee eristävän rajapinnan ympäristönsä kanssa – alkusolulla täytyi olla jonkinlainen kalvorakkula pitämässä reaktioita yhdessä. Lipidikalvojen spontaani muodostuminen on sinänsä helpompaa (rasvamolekyylit tekevät kalvorakkuloita vedessä), mutta on eri asia saada toimiva protosolu, jolla on sekä genomi että metabolia kalvon sisällä.

Kaikkien näiden osa-alueiden yhteensovittaminen uskottavaksi skenaarioksi on vaikeaa. Ja huomioithan, että esitin rajun pelkistetyn hahmotelman tilanteesta. Solu on äärimmäisen, äärimmäisen monimutkainen järjestelmä.

Ranskalainen biokemisti Jacques Monod kuvasi geneettisen koodin syntyä ”varsinaiseksi arvoitukseksi” ja laski, että elämän sattumanvaraisen synnyn todennäköisyys vaikuttaa lähes nollalta, ”karkeasti ottaen niin vähäiseltä, että se on käytännössä mahdotonta” (Monod 1972). Nobelisti Francis Crick kirjoitti vuonna 1981 kuuluisan toteamuksen:”Rehellinen ihminen, jolla on kaikki nykyinen tieto käytettävissään, voisi vain todeta, että elämän alkuperä vaikuttaa tällä hetkellä lähes ihmeeltä – niin monta on ehtoa, joiden olisi pitänyt täyttyä, jotta se olisi käynnistynyt”​.

Tutkijat eivät kuitenkaan luovuta: erilaisia teorioita kehitetään jatkuvasti (syvämeren savuttajat ja lämpöaukot, savipintakatalyysi, jäätymisteorian tuomat väkevöitymiskennot, jopa panspemia eli elämän siemenien saapuminen avaruudesta). Toistaiseksi mikään hypoteesi ei ole saavuttanut laajaa yksimielisyyttä. Chicagon yliopiston uutisartikkeli vuodelta 2023 toteaa: ”Elämän alkuperä maan päällä on yhä yksi tieteen suurista ratkaisemattomista mysteereistä. Useita vastauksia on ehdotettu, mutta kaikki ovat toistaiseksi vahvistamatta”​. Tämä tiivistää tilanteen hyvin.

Miller–Urey ja sen jälkeen

Vuonna 1953 Millerin ja Ureyn kuuluisa koe osoitti, että yksinkertaisista kaasuista (metaani, ammoniakki, vesi, vety) ja salamapurkausta jäljittelemällä voidaan muodostaa aminohappoja – elämän rakennuspalikoita. Tämä oli ensimmäinen vahva todiste siitä, että kemiallinen evoluutio periaatteessa voi tuottaa orgaanisia molekyylejä. Sittemmin on löydetty esimerkiksi nukleotidien osien synteesiä tietyissä olosuhteissa. Kuitenkin, Miller–Urey-tyyppiset kokeet ratkaisivat vain pienen pienen osan palapelistä. Aminohapot eivät ole vielä toimiva proteiini, eikä proteiini ole perinnöllinen informaatio. Yhä puuttuu uskottava polku näistä yksinkertaisista yhdisteistä kohti itseään kopioivaa järjestelmää.

Kuva 3: Miller–Urey-kokeen laitekaavio. Kiehunut vesi (1) haihduttaa höyryä ja kaasuja, jotka kiertävät laitteistossa. Yläosassa kipinälaitteella (2) luodaan sähköpurkauksia (”salama”), jotka toimivat energialähteenä. Jäähdytyslaitteen (3) kautta kaasut tiivistyvät takaisin nesteeksi, joka valuu keräysastiaan (4). Millerin kokeessa tällä järjestelyllä saatiin muodostumaan useita orgaanisia molekyylejä, mm. aminohappoja, alkumaapallon oloja jäljitellen. Kokeen menestys osoitti, että kemialliset reaktiot voivat tuottaa elämän rakennuspalikoita, mutta silti elävän solun synty vaatii vielä useita lisävaiheita, joita ei ole täysin ratkaistu​.

Älykkään suunnittelun näkökulmasta abiogeneesin ongelmat korostavat informaation alkuperän ongelmaa. Elävä solu sisältää monikerroksista koodattua tietoa (DNA:n geneettinen koodi, proteiinien kolmiulotteiset rakenteet, säätelyverkostot). Älykkään suunnittelun ajatusta kannattavat tutkijat väittävät, että informaatio on aina peräisin älystä, eikä ole näyttöä että luonnonlait itsestään synnyttäisivät uuden koodijärjestelmän. Kuten Paul Davies pohdiskeli: ”Tuntemamme luonnonlait eivät luo informaatiota… Elämän salaisuus ei piile sen kemiallisessa perustassa vaan niissä loogisissa informaatiosäännöissä, joita se hyödyntää… Uskon, että elämän mysteerin ratkaisu vaatii jotain käsitteellisesti uutta”​. Tämä lausunto – huomionarvoisesti sekulaarisen fyysikon esittämänä – heijastaa sitä nöyryyttä, jolla tieteen tulisi ongelmaa lähestyä.

On teroitettava, että valtaosa tiedeyhteisöstä etsii yhä luonnollista selitystä elämän synnylle. Hypoteesit muuttuvat jatkuvasti, ja jokin läpimurto (esimerkiksi toimivan protosolun luominen laboratoriossa itsestään järjestäytyvistä molekyyleistä) voisi ratkaista mysteerin. Toistaiseksi kuitenkin, kuten biologi Louis Thomas totesi jo aikaa sitten, ”emme tiedä, miten ensimmäinen primitiivinen solu syntyi – asia on arvailujen ja tieteellisen mielikuvituksen varassa”(Thomas, 1970-luvulla). Tämä myöntää sen, että elämän alkuun liittyy sellaisia yhteisvaikutuksia, että monien mielestä satunnainen kemia ei riitä niitä selittämään.

Ehkä löydämme jonkin uuden luonnonperiaatteen (”kemiallisen lain”), joka suuntaa molekyylejä kohti järjestäytymistä. Tai ehkä ratkaisu onkin, että prosessin taustalla on älyllinen ohjaus. Sen perusteella mitä tällä hetkellä tiedämme monimutkaisen funktionaalisen informaation synnystä, on älyllinen suunnittelu terveenjärjen mukainen valinta uskottavaksi selitykseksi elämän alkuperälle.

Johtopäätökset: vaihtoehtoinen tulkinta ja älykkään suunnittelun idea

Tarkastelemamme neljä aluetta paljastavat, että evoluutioteorian yleisesti esitettyyn kuvaan liittyy avoimia kysymyksiä ja tulkinnanvaraa:

• Fylogeneettinen elämän puu: Geneettiset todisteet eivät muodostakaan yhtä kaunista, yhtenäistä puuta, vaan verkkomaisen kuvion täynnä ristiriitoja ja horisontaalisia yhteyksiä. Tämä kyseenalaistaa oletuksen yhdestä ainoasta yhteisestä esi-isästä ja pakottaa miettimään, onko eliölajien ilmaantumisen historia monijuurisempi tai ainakin paljon moniulotteisempi kuin luultiin​.

  
  

• Fossiilit: Fossiilistossa on havaittu usein hyppäyksiä eikä portaattoman asteittaista muutosta. Uudet laajat ryhmät ilmestyvät äkillisesti (esimerkiksi kambrikaudella) ja lajien väliset välivaiheet ovat harvinaisia​. Tämä on synnyttänyt teorioita nopeista evoluutiopulsseista ja nostaa esiin kysymyksen: onko luonnonvalinnan ja mutaatioiden yhdistelmä riittävä selittämään nuo nopeat innovaatiot? Voisiko eliölajien kehitystä olla voitu ohjata ulkopuolelta tulleen informaatio infuusion välityksellä?

  
  

• Mutaatioiden tuottama informaatio: Kokeet osoittavat evoluution toimivan, mutta usein informaatiota menettämällä lyhyellä aikavälillä. Uusien monimutkaisten rakenteiden synty vaatii harvinaisia, monivaiheisia muutoksia, joiden todennäköisyys sattumalta on äärimmäisen pieni. Tämä rajoittaa sitä, mitä voimme odottaa sattumanvaraiselta mutaatio+valinta -mekanismilta. Onko mutaatioiden taustalla jonkinlainen syvempi ohjelmointi?

  
  

• Abiogeneesi: Elämän alkuperä on yhä selittämättä luonnontieteellisesti. Kaikki ehdotukset kohtaavat vakavia ongelmia, eikä ole pystytty laboratorio-oloissa spontaanisti luomaan elämää elottomasta. Informaatio-ongelma on keskeinen – miten DNA/RNA-koodisto ja proteiinikoneisto syntyivät ilman suunnittelijaa? Tiede tuntee tämän dilemman: ”Elämän alkuperä on syvä mysteeri”​.

  
  

Älykkään suunnittelun teoria astuu kuvaan tarjoten yhtenäisen selityksen näille pulmille: biologinen informaatio ja monimuotoisuus eivät ehkä ole täysin selitettävissä sattuman ja luonnonlakien yhteispelillä, vaan niissä voisi näkyä älykkään toimijan kädenjälki. Ajatus on, että tietyt piirteet – esimerkiksi DNA-koodi, solun molekyylikoneistot tai kambrikauden nopea innovaatio – vastaavat paremmin sitä, minkä ihmiset tunnistavat suunnitelluksi järjestelmäksi (kompleksisuus ja tarkoituksenmukaisuus), kuin sokean prosessin tuotokseksi. Kuten Fred Hoyle kärjisti laskelmiensa pohjalta: ”Ajatus, että elämä koottiin älyn toimesta, on mielestämme todennäköisyydeltään valtavasti suurempi kuin yksi mahdollisuus 10^40 000:een, ja sellainen teoria on niin ilmeinen, että on ihme, miksei sitä laajasti hyväksytä itsestään selvänä. Syyt ovat psykologisia ennemmin kuin tieteellisiä.”​. Hoylen provokatiivinen väite kiteyttää Älykkään suunnittelun näkemyksen: hylätessään suunnittelun mahdollisuuden tiede saattaa sivuuttaa ilmeisen johtopäätöksen, koska se on filosofisesti epämieluisa.

Terveisin,

Okulaarinen tieteilijä

Lähteet:

Steenwyk et al. (2023). Incongruence in the phylogenomics era. Nature Reviews Genetics .

Dagan & Martin (2006). The tree of one percent. Genome Biology.

ICR (2009) viite New Scientist artikkeliin – Lausunto, että elämänpuu on ”repaleina” geneettisten ristiriitojen vuoksi (Syvanen, Bapteste)​.

Gould, S.J. (1977). ”Evolution’s Erratic Pace”. Natural History .

Briggs, D. (2015) – Viittaus: kambrikauden äkillisyys on todellinen, ei artefakti​.

Bechly, G. (2022). Kooste tutkimuksista (Evolution News).

Raup, D. (1979). Field Museum Bulletin.

Lenski et al. – E. coli LTEE-kokeen havainnot; Travisano & Cooper (2001); Leiby & Marx (2014).

Blount et al. (2012). Nature.

Dose, K. (1988). Interdisciplinary Science Reviews.

Davies, P. (1983/2004). The Cosmic Blueprint.

Crick, F. (1981). Life Itself: Its Origin and Nature .

Hoyle, F. & Wickramasinghe, C. (1984). Evolution from Space .

Monod, J. (1972). Chance and Necessity .